第三講+風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)及組成

1、第三講第三講 風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)及組成風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)及組成3.1 3.1 風(fēng)力發(fā)電機組概述風(fēng)力發(fā)電機組概述小型及大型風(fēng)力發(fā)電機組小型及大型風(fēng)力發(fā)電機組水平軸及垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組水平軸及垂直軸風(fēng)力發(fā)電機組3.2 水平軸風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)水平軸風(fēng)力發(fā)電機組的結(jié)構(gòu)大型風(fēng)電機組基本結(jié)構(gòu)大型風(fēng)電機組基本結(jié)構(gòu) 1 1葉片；葉片；2 2輪轂；輪轂；3 3機艙；機艙；4 4葉輪軸與主軸連接；葉輪軸與主軸連接；5 5主軸；主軸；6 6齒齒輪箱；輪箱；7 7剎車機構(gòu)；剎車機構(gòu)；8 8聯(lián)軸器；聯(lián)軸器；9 9發(fā)電機；發(fā)電機；1010散熱器；散熱器；1111冷卻風(fēng)扇冷卻風(fēng)扇；1212風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)；風(fēng)速儀和風(fēng)向標(biāo)；

2、1313控制系統(tǒng)；控制系統(tǒng)；1414液壓系統(tǒng)；液壓系統(tǒng)；1515偏航驅(qū)動；偏航驅(qū)動；1616偏航軸承；偏航軸承；1717機艙蓋；機艙蓋；1818塔架；塔架；1919、變槳距部分、變槳距部分風(fēng)輪的組成圖風(fēng)輪的組成圖風(fēng)輪風(fēng)輪3.2.1 3.2.1 風(fēng)輪及其組成風(fēng)輪及其組成 風(fēng)輪是風(fēng)力機最重要的部件，它是風(fēng)力機區(qū)別于其它動力機的主要標(biāo)志。風(fēng)輪的作用是捕捉和吸收風(fēng)能。并將風(fēng)能轉(zhuǎn)變成機械能。再由風(fēng)輪軸將能量送給傳動裝置以水平軸升力型風(fēng)力機的風(fēng)輪為例(下圖)來說明風(fēng)輪功率的計算。 風(fēng)以速度V吹向風(fēng)輪時，風(fēng)輪轉(zhuǎn)動。設(shè)旋轉(zhuǎn)著的風(fēng)輪其掃掠面積為A，空氣密度為 ，在1 s中內(nèi)流向風(fēng)輪的空氣所具有的動能為 （1）若

3、風(fēng)輪的直徑為D ，則 （2）這些風(fēng)能不可能全部被風(fēng)輪捕獲。231122VNmVAV23323112248VDNAVVD V 風(fēng)輪捕獲風(fēng)能并將之轉(zhuǎn)換成機械能再由風(fēng)輪軸輸出的功率為N（稱之為風(fēng)輪功率)。它與 之比，稱為風(fēng)輪功率系數(shù)(或風(fēng)能利用系數(shù))，用 表示，即 （3） （4） 式中 的值為0.20.5。 238PVNNCND VPCVDN328PCVNPC由式（3）得知：因此，當(dāng)風(fēng)輪大小、工作風(fēng)速一定時，應(yīng)盡可能提高 值，以增大風(fēng)輪功率。這是從事風(fēng)能開發(fā)利用的科技人員追求的主要目標(biāo)之一。PC3.2.1.1 葉片及葉片材料葉片及葉片材料3.2.1.1 3.2.1.1 葉片發(fā)展趨勢葉片發(fā)展趨勢 葉片

4、是風(fēng)力機捕捉風(fēng)能的最重要部件。風(fēng)能利用效率取葉片是風(fēng)力機捕捉風(fēng)能的最重要部件。風(fēng)能利用效率取決于良好的葉片的空氣動力外型，以及具有高強度、高硬度、決于良好的葉片的空氣動力外型，以及具有高強度、高硬度、低密度以及較長使用壽命等優(yōu)良特點的制造材料。低密度以及較長使用壽命等優(yōu)良特點的制造材料。風(fēng)力提水機的葉片風(fēng)力發(fā)電機組的葉片常見的風(fēng)力機葉片的橫截面結(jié)構(gòu)圖常見的風(fēng)力機葉片的橫截面結(jié)構(gòu)圖3.2.1.23.2.1.2 葉片材料選擇的要求及選擇規(guī)則葉片材料選擇的要求及選擇規(guī)則葉片材料選擇規(guī)則葉片材料選擇規(guī)則2纖維增強復(fù)合材料纖維增強復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料玻璃纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料碳纖維復(fù)合材料玻璃鋼

5、復(fù)合材料玻璃鋼復(fù)合材料葉片的主要材料特性 玻璃鋼葉片玻璃鋼葉片 用于葉片制造的材料一般有木材、金屬，如用于葉片制造的材料一般有木材、金屬，如鋼和鋁，以及玻璃鋼。由于葉片的木材一般要選鋼和鋁，以及玻璃鋼。由于葉片的木材一般要選用優(yōu)質(zhì)木材，如樺木、核桃木等，材料來源困難、用優(yōu)質(zhì)木材，如樺木、核桃木等，材料來源困難、取材率低、造價高、維修不便。取材率低、造價高、維修不便。鋼鋼金屬材料制造，金屬材料制造，又存在加工復(fù)雜、工藝裝備多、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)又存在加工復(fù)雜、工藝裝備多、生產(chǎn)周期長、產(chǎn)品不耐腐蝕等一系列問題。因此，目前在國內(nèi)已品不耐腐蝕等一系列問題。因此，目前在國內(nèi)已很少選用木材或金屬制造葉片，大多

6、數(shù)采用玻璃很少選用木材或金屬制造葉片，大多數(shù)采用玻璃鋼鋼。3 玻璃鋼葉片的優(yōu)點玻璃鋼葉片的優(yōu)點4203.2.2 3.2.2 輪轂輪轂輪轂有固定式和鉸鏈?zhǔn)絻煞N輪轂有固定式和鉸鏈?zhǔn)絻煞N 主軸也稱為低速軸，安裝在風(fēng)輪和齒輪箱之間。主軸也稱為低速軸，安裝在風(fēng)輪和齒輪箱之間。前端通過螺栓與輪轂剛性連接，后端與齒輪箱低速連前端通過螺栓與輪轂剛性連接，后端與齒輪箱低速連接，承力大而且復(fù)雜。接，承力大而且復(fù)雜。3.2.3 3.2.3 主軸主軸風(fēng)機每經(jīng)歷一次起動和停機，主軸所受的各種風(fēng)機每經(jīng)歷一次起動和停機，主軸所受的各種力，都將經(jīng)歷一次循環(huán)力，都將經(jīng)歷一次循環(huán)因此會產(chǎn)生循環(huán)疲勞因此會產(chǎn)生循環(huán)疲勞主軸有較高的綜

7、合機械性主軸有較高的綜合機械性 齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機組關(guān)鍵零部件之一。由于齒輪箱是風(fēng)力發(fā)電機組關(guān)鍵零部件之一。由于風(fēng)力機工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機工作在高轉(zhuǎn)速下，風(fēng)力機工作在低轉(zhuǎn)速下，而發(fā)電機工作在高轉(zhuǎn)速下，為了實現(xiàn)風(fēng)力機和發(fā)電機的匹配，采用增速齒輪箱。為了實現(xiàn)風(fēng)力機和發(fā)電機的匹配，采用增速齒輪箱。3.3 3.3 齒輪箱齒輪箱 齒輪箱的分類齒輪箱的分類按照傳動的方式可以分為：展開式，分流式，同軸式以及混合式 自然界的風(fēng)速經(jīng)常變化。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的增自然界的風(fēng)速經(jīng)常變化。風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速隨風(fēng)速的增大而變快，發(fā)電機的輸出電壓、頻率、功率也增加；大而變快，發(fā)電機的輸出電壓、頻率、功率也增加；當(dāng)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速超過

8、額定值時，有可能影響機組的使當(dāng)風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速超過額定值時，有可能影響機組的使用壽命，甚至造成設(shè)備的毀壞。為使風(fēng)輪能以一定用壽命，甚至造成設(shè)備的毀壞。為使風(fēng)輪能以一定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定地工作，風(fēng)力發(fā)電機組上設(shè)有調(diào)速裝置。的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定地工作，風(fēng)力發(fā)電機組上設(shè)有調(diào)速裝置。 調(diào)速裝置是在風(fēng)速大于設(shè)計額定風(fēng)速時才起作用調(diào)速裝置是在風(fēng)速大于設(shè)計額定風(fēng)速時才起作用 因此，又被稱為限速裝置。當(dāng)風(fēng)速增至停機風(fēng)速時，因此，又被稱為限速裝置。當(dāng)風(fēng)速增至停機風(fēng)速時， 調(diào)速裝置能使風(fēng)輪順槳調(diào)速裝置能使風(fēng)輪順槳( (風(fēng)向與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面平行風(fēng)向與風(fēng)輪旋轉(zhuǎn)平面平行) )停機。停機。3.4 3.4 調(diào)速裝置調(diào)速裝置 風(fēng)力機調(diào)速裝置調(diào)速原理風(fēng)

9、力機調(diào)速裝置調(diào)速原理側(cè)翼及偏心裝置調(diào)速原理示意圖側(cè)翼及偏心裝置調(diào)速原理示意圖 縮小風(fēng)輪圓形迎風(fēng)面積縮小風(fēng)輪圓形迎風(fēng)面積原理圖原理圖 發(fā)電機是將由風(fēng)輪軸傳來的機械能轉(zhuǎn)變成電能的發(fā)電機是將由風(fēng)輪軸傳來的機械能轉(zhuǎn)變成電能的設(shè)備設(shè)備。3.5 3.5 發(fā)電機發(fā)電機 塔架的功能是支撐位于空中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，塔架的功能是支撐位于空中的風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)，塔架與基礎(chǔ)相連接，承受風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的塔架與基礎(chǔ)相連接，承受風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)運行引起的各種載荷，同時傳遞這些載荷到基礎(chǔ)，使整個風(fēng)力各種載荷，同時傳遞這些載荷到基礎(chǔ)，使整個風(fēng)力發(fā)電機組能穩(wěn)定可靠地運行。發(fā)電機組能穩(wěn)定可靠地運行。3.6 3.6 塔架塔架微型風(fēng)力機微

10、型風(fēng)力機小，中型風(fēng)小，中型風(fēng)力機力機中，大小型中，大小型風(fēng)力機風(fēng)力機大型風(fēng)力機大型風(fēng)力機 3.7.1 3.7.1 機艙機艙3.7 3.7 控制系統(tǒng)及附屬部件控制系統(tǒng)及附屬部件 3.7.2 3.7.2 機頭座機頭座 回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)體( (轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)盤) )是塔架與機頭座的連接是塔架與機頭座的連接部件，通常由固定套、回轉(zhuǎn)圈以及位于部件，通常由固定套、回轉(zhuǎn)圈以及位于它們之間的軸承組成。固定套銷定在塔它們之間的軸承組成。固定套銷定在塔架上部，回轉(zhuǎn)圈與機頭座相連，通過它架上部，回轉(zhuǎn)圈與機頭座相連，通過它們之間的軸承和對風(fēng)裝置相連，們之間的軸承和對風(fēng)裝置相連， 在風(fēng)向在風(fēng)向變化時，機頭便能水平地回轉(zhuǎn)，使風(fēng)輪變化時

11、，機頭便能水平地回轉(zhuǎn)，使風(fēng)輪迎風(fēng)工作。迎風(fēng)工作。3.7.3 3.7.3 回轉(zhuǎn)體回轉(zhuǎn)體 大、中型風(fēng)力機的回轉(zhuǎn)體常借用塔式吊車上的回大、中型風(fēng)力機的回轉(zhuǎn)體常借用塔式吊車上的回轉(zhuǎn)機構(gòu)。轉(zhuǎn)機構(gòu)。 小型風(fēng)力機的回轉(zhuǎn)體通常是在上、下各設(shè)一組軸小型風(fēng)力機的回轉(zhuǎn)體通常是在上、下各設(shè)一組軸承，可采用圓錐滾子軸承。也可以上面用向心球軸承，可采用圓錐滾子軸承。也可以上面用向心球軸承承受徑向載荷。下面用推力軸承來承受機頭的全承承受徑向載荷。下面用推力軸承來承受機頭的全部重量。部重量。 微型風(fēng)力機的回轉(zhuǎn)體不宜采用滾動軸承，而采用微型風(fēng)力機的回轉(zhuǎn)體不宜采用滾動軸承，而采用青銅加工的滑動軸承。這是為了防止機頭對瞬時變青銅加

12、工的滑動軸承。這是為了防止機頭對瞬時變化的風(fēng)向過于敏感而導(dǎo)致風(fēng)輪的頻繁回轉(zhuǎn)?；娘L(fēng)向過于敏感而導(dǎo)致風(fēng)輪的頻繁回轉(zhuǎn)。 制動裝置是使風(fēng)力發(fā)電機停止運轉(zhuǎn)的裝制動裝置是使風(fēng)力發(fā)電機停止運轉(zhuǎn)的裝置置( (也稱剎車系統(tǒng)也稱剎車系統(tǒng)) )。對于微型和小型風(fēng)力發(fā)。對于微型和小型風(fēng)力發(fā)電機，可采用如圖所示的剎車機構(gòu)。電機，可采用如圖所示的剎車機構(gòu)。 3.7.4 3.7.4 制動裝置制動裝置 在中型和大型風(fēng)力發(fā)電機組中，有在中型和大型風(fēng)力發(fā)電機組中，有采用葉尖氣動剎車和機械式剎車組成的采用葉尖氣動剎車和機械式剎車組成的制動系統(tǒng)。制動系統(tǒng)。 功率較大的風(fēng)力發(fā)電機組，應(yīng)用電功率較大的風(fēng)力發(fā)電機組，應(yīng)用電磁制動器和液壓

13、制動器的，當(dāng)采用電磁磁制動器和液壓制動器的，當(dāng)采用電磁制動器時，需要有外電源；當(dāng)采用液壓制動器時，需要有外電源；當(dāng)采用液壓制動器時，除了需要外電源，還需要油制動器時，除了需要外電源，還需要油泵，電磁閥，液壓油缸和管路等。泵，電磁閥，液壓油缸和管路等。 風(fēng)力發(fā)電機組的傳動裝置包括增速器與聯(lián)軸器等。風(fēng)力發(fā)電機組的傳動裝置包括增速器與聯(lián)軸器等。 通常，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速低于發(fā)電機轉(zhuǎn)子需要的轉(zhuǎn)速，通常，風(fēng)輪的轉(zhuǎn)速低于發(fā)電機轉(zhuǎn)子需要的轉(zhuǎn)速，所以要增速所以要增速( (有的微型風(fēng)力發(fā)電機組不設(shè)增速器而直有的微型風(fēng)力發(fā)電機組不設(shè)增速器而直接連接接連接) )。增速器與發(fā)電機之間用聯(lián)軸器連接，為了。增速器與發(fā)電機之間用聯(lián)

14、軸器連接，為了少占用空間，往往將聯(lián)軸器與制動器設(shè)計在一起。少占用空間，往往將聯(lián)軸器與制動器設(shè)計在一起。 風(fēng)輪軸與增速器之間也有用聯(lián)軸器的，稱低速聯(lián)風(fēng)輪軸與增速器之間也有用聯(lián)軸器的，稱低速聯(lián)軸器。軸器。3.7.5 3.7.5 傳動裝置傳動裝置 控制系統(tǒng)的功能控制系統(tǒng)的功能 控制系統(tǒng)利用控制系統(tǒng)利用DSPDSP微機處理機，在正常微機處理機，在正常運行狀態(tài)下，主要通過對運行過程模擬量和運行狀態(tài)下，主要通過對運行過程模擬量和開關(guān)量的采集、傳輸、分析，來控制風(fēng)電機開關(guān)量的采集、傳輸、分析，來控制風(fēng)電機組的轉(zhuǎn)速和功率；如發(fā)生故障或其他異常情組的轉(zhuǎn)速和功率；如發(fā)生故障或其他異常情況能自動地監(jiān)測并分析確定原因，自動調(diào)整況能自動地監(jiān)測并分析確定原因，自動調(diào)整排除故障或進入保護狀態(tài)。排除故障或進入保護狀態(tài)。3.7.6 3.7.6 控制系統(tǒng)控制